研究人員找出了影響MgH2儲氫材料性能的關(guān)鍵障礙

一組研究人員已經(jīng)確定了一種影響常見固態(tài)氫材料性能的關(guān)鍵障礙，他們發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié)發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上。

氫將在為我們的未來提供能源方面發(fā)揮重要作用。它燃燒時不會產(chǎn)生有害氣體。但是氫的儲存和運(yùn)輸既昂貴又有風(fēng)險。

目前氫的儲存方式主要有三種：高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。在固態(tài)儲氫中，固態(tài)材料通常更安全，并提供更高的儲氫密度。

金屬氫化物由于其巨大的儲氫潛力和低成本而被長期探索。當(dāng)這些金屬與氣態(tài)氫接觸時，氫被吸收到表面。進(jìn)一步的能量輸入導(dǎo)致氫原子進(jìn)入金屬的晶格，直到金屬被氫飽和。從那里，材料可以吸收和解吸大量的氫。

氫化鎂(MgH2)在儲氫能力方面表現(xiàn)出了巨大的潛力。然而，氫化鎂分解并產(chǎn)生氫氣需要高溫。此外，該材料復(fù)雜的氫遷移和解吸，導(dǎo)致脫氫動力學(xué)緩慢，阻礙了其商業(yè)應(yīng)用。

幾十年來，科學(xué)家們一直在爭論為什么MgH2中的脫氫如此困難。但現(xiàn)在，研究小組找到了答案。

利用基于自旋極化密度泛函理論和范德華修正的計算，他們發(fā)現(xiàn)了MgH2脫氫過程中的“爆裂效應(yīng)”。初始脫氫勢壘為2.52和2.53 eV，隨后的反應(yīng)勢壘為0.12-1.51 eV。

研究小組用晶體軌道哈密頓布居(Crystal Orbital Hamilton Population, COHP)法進(jìn)行了進(jìn)一步的鍵分析，他們證實(shí)了鎂-氫化物鍵強(qiáng)度隨著脫氫過程的繼續(xù)而下降。

日本東北大學(xué)高級材料研究所的研究人員指出：“氫遷移和氫解吸在初始爆裂效應(yīng)之后要容易得多。促進(jìn)這種解吸過程的結(jié)構(gòu)工程調(diào)整可能是促進(jìn)MgH2氫解吸的關(guān)鍵。”

研究人員證明，當(dāng)?shù)谝粚釉託浯嬖跁r，氫空位保持了高度的電子局域化。通過從頭計算分子動力學(xué)模擬對表面脫氫后MgH2的動力學(xué)特性進(jìn)行的分析也提供了額外的證據(jù)。